DE102020210081A1 - Device and computer-implemented method for operating a fuel cell system - Google Patents

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Sebastian Gerwinn
Jochen Braun
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Abstract

Vorrichtung und computerimplementiertes Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems wobei wenigstens eine Ansteuergröße (u_req) für eine Ansteuerung des Brennstoffzellensystems vorgegeben wird, wobei abhängig von der wenigstens einen Ansteuergröße (u_req) oder abhängig von wenigstens einer für die wenigstens eine Ansteuergröße (u_req(t)) eingestellten Ansteuergröße (u_act, u_pred) mit einem Modell (102) eine Vorhersage (y_pred, dy_pred) einer Größe (y_mes, dy) des Brennstoffzellensystems bestimmt wird, und wobei abhängig von der Größe (y_mes, dy) und der Vorhersage (y_pred, dy_pred) der Größe (y_mes, dy) wenigstens ein Parameter (P) des Modells (102) bestimmt wird, wobei abhängig von einem Maß für eine Unsicherheit (h(u_req)) für die Vorhersage (y_pred, dy_pred) der Größe (y_mes, dy) durch das Modell (102) die wenigstens eine vorgegebene Ansteuergröße (u_req) bestimmt wird, für die das Maß für die Unsicherheit (h(u_req)) eine Bedingung erfüllt.Device and computer-implemented method for operating a fuel cell system, wherein at least one control variable (u_req) is specified for control of the fuel cell system, being set as a function of the at least one control variable (u_req) or as a function of at least one for the at least one control variable (u_req(t)). Control variable (u_act, u_pred) with a model (102) a prediction (y_pred, dy_pred) of a variable (y_mes, dy) of the fuel cell system is determined, and depending on the variable (y_mes, dy) and the prediction (y_pred, dy_pred) the variable (y_mes, dy) at least one parameter (P) of the model (102) is determined, depending on a measure of an uncertainty (h(u_req)) for the prediction (y_pred, dy_pred) of the variable (y_mes, dy) the model (102) determines the at least one specified control variable (u_req) for which the measure of the uncertainty (h(u_req)) satisfies a condition.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein computerimplementiertes Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems.The invention relates to a device and a computer-implemented method for operating a fuel cell system.

Ein Brennstoffzellensystem stellt ein Gesamtsystem dar, das eine Vielzahl Subsysteme umfasst. Das Brennstoffzellensystem umfasst einen oder mehrere Brennstoffzellenstacks und mehrere Subsysteme, die zur Versorgung des Brennstoffzellenstacks oder der Brennstoffzellenstacks vorhanden sein müssen.A fuel cell system represents an overall system that includes a large number of subsystems. The fuel cell system includes one or more fuel cell stacks and several subsystems that must be present to supply the fuel cell stack or fuel cell stacks.

Der Brennstoffzellenstack hat in der Regel keinen einzigen Aktor, d.h. ist für sich alleine genommen ein passives Bauteil oder eine passive Baugruppe.The fuel cell stack does not usually have a single actuator, i.e. it is a passive component or assembly on its own.

Obwohl einzelne der Subsysteme des Gesamtsystems mit physikalischen Modellen gut beschrieben werden können, ist eine Modellierung eines dynamischen Zusammenspiels verschiedener Subsysteme und des Brennstoffzellenstacks schwer durchführbar. Beispielsweise enthält der Brennstoffzellenstack Trägheiten wie eine thermische Masse, Wasser oder Feuchte, die eine Dynamik des Gesamtsystems ändern und richtungsabhängige Effekte wie einen Unterschied zwischen positivem Lastsprung und negativem Lastsprung verursachen können.Although individual subsystems of the overall system can be well described with physical models, it is difficult to model a dynamic interaction between different subsystems and the fuel cell stack. For example, the fuel cell stack contains inertias such as thermal mass, water or moisture, which can change the dynamics of the overall system and cause direction-dependent effects such as a difference between a positive load step and a negative load step.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Ein computerimplementiertes Verfahren und eine Vorrichtung nach den unabhängigen Ansprüchen ermöglichen in einem Zeitpunkt eine Vorhersage einer Betriebsgröße eines Brennstoffzellensystems zu einem nächsten Zeitpunkt in Abhängigkeit von wenigstens einer Ansteuergröße.A computer-implemented method and a device according to the independent claims make it possible at one point in time to predict an operating variable of a fuel cell system at a next point in time as a function of at least one control variable.

Das computerimplementierte Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems sieht vor, dass wenigstens eine Ansteuergröße für eine Ansteuerung des Brennstoffzellensystems vorgegeben wird, wobei abhängig von der wenigstens einen Ansteuergröße oder abhängig von wenigstens einer für die wenigstens eine Ansteuergröße eingestellten Ansteuergröße mit einem Modell eine Vorhersage einer Größe des Brennstoffzellensystems bestimmt wird, und wobei abhängig von der Größe und der Vorhersage der Größe wenigstens ein Parameter des Modells bestimmt wird, wobei abhängig von einem Maß für eine Unsicherheit für die Vorhersage der Größe durch das Modell die wenigstens eine vorgegebene Ansteuergröße bestimmt wird, für die das Maß für die Unsicherheit eine Bedingung erfüllt.The computer-implemented method for operating the fuel cell system provides that at least one control variable for control of the fuel cell system is specified, with a model predicting a variable of the fuel cell system depending on the at least one control variable or depending on at least one control variable set for the at least one control variable is determined, and at least one parameter of the model is determined as a function of the variable and the prediction of the variable, the at least one predetermined control variable being determined as a function of a measure of an uncertainty for the forecast of the variable by the model, for which the measure a condition for the uncertainty is fulfilled.

In einem Aspekt ist die Größe ein Messwert für die Betriebsgröße bestimmt wird, wobei die Vorhersage der Betriebsgröße des Brennstoffzellensystems abhängig von der wenigstens einen Ansteuergröße oder abhängig von wenigstens einer für die wenigstens eine Ansteuergröße eingestellten Ansteuergröße mit dem Modell bestimmt wird.In one aspect, the variable is a measured value for the operating variable, the prediction of the operating variable of the fuel cell system being determined with the model as a function of the at least one control variable or as a function of at least one control variable set for the at least one control variable.

Vorteilhafterweise ist in einem anderen Aspekt vorgesehen, dass abhängig von der wenigstens einen Ansteuergröße oder abhängig von wenigstens einer für die wenigstens eine Ansteuergröße eingestellten Ansteuergröße mit einem ersten Modell eine Vorhersage einer Betriebsgröße des Brennstoffzellensystems bestimmt wird, wobei die Größe eine Abweichung der Vorhersage der Betriebsgröße des Brennstoffzellensystems von einem Messwert für die Betriebsgröße ist, wobei abhängig von der wenigstens einen Ansteuergröße oder abhängig von wenigstens einer für die wenigstens eine Ansteuergröße eingestellten Ansteuergröße mit einem zweiten Modell die Vorhersage der Abweichung bestimmt wird.Advantageously, in another aspect, it is provided that, depending on the at least one control variable or depending on at least one control variable set for the at least one control variable, a prediction of an operating variable of the fuel cell system is determined with a first model, with the variable being a deviation of the prediction of the operating variable of the Fuel cell system from a measured value for the operating variable, the prediction of the deviation being determined as a function of the at least one control variable or as a function of at least one control variable set for the at least one control variable with a second model.

Dadurch wird ein verbesserter Betrieb des Brennstoffzellensystems abhängig von der Vorhersage ermöglicht. Eine Verbesserung für das Gesamtsystem kann beispielsweise genutzt werden für eine Verbrauchsoptimierung, eine Alterungs- oder Degradationsminimierung oder eine Lebenszeitverlängerung, eine Dynamik- oder Performanceverbesserung, eine Kosteneinsparung, beispielsweise durch optimierten Betrieb. Die Verbesserung kann auch genutzt werden, um eine weiterführende Optimierung mit mehreren der zuvor genannten Ziele durchzuführen, beispielsweise als adaptive Mehrzieloptimierung.This enables improved operation of the fuel cell system depending on the prediction. An improvement for the overall system can be used, for example, for optimizing consumption, minimizing aging or degradation or extending service life, improving dynamics or performance, saving costs, for example through optimized operation. The improvement can also be used to perform further optimization with several of the previously mentioned goals, for example as adaptive multi-objective optimization.

Die Bedingung ist im Beispiel, dass das Maß für die Unsicherheit maximiert wird. Dies kann beispielsweise abhängig von einer Sicherheitsbedingung erfolgen. Der Parameter kann ein Hyperparameter z.B. für einen Gaussprozess sein. Das Maß für die Unsicherheit ist eine geschätzte Unsicherheit, welche über die Abweichung für die eingestellte Ansteuergröße besteht. Diese Unsicherheit wird beispielsweise mittels eines probabilistischen Modells, z.B. eines Gaussprozesses, bestimmt. Beispielsweise ist das Maß für die Unsicherheit durch eine Entropie einer Wahrscheinlichkeitsverteilung eines nichtlinearen autoregressiven exogenen Gaussprozessmodells für Zeitserien, GP-NARX, definiert. Beispielsweise wird die wenigstens eine Ansteuergröße bestimmt, die das Maß für die Unsicherheit maximiert. Dadurch wird eine maximal informative Stellgröße für das Training bestimmt. Es kann auch die wenigstens eine Ansteuergröße bestimmt werden, die das Maß für die Unsicherheit maximiert insbesondere unter der Bedingung, dass die Sicherheitsbedingung erfüllt ist. Dies stellt einen Iterationsschritt in einem iterativen Training mit Trainingsdaten dar, bei dem die Betriebsgröße abhängig von wenigstens einer eingestellten Ansteuergröße vorhergesagt wird. Beim iterativen Training, insbesondere einem active learning, können viele Iterationen verwendet werden, in denen das Modell verbessert wird. Das erste Modell ist ein physikalisches Modell, das beispielsweise auf Differentialgleichungen basiert, die das Verhalten des Brennstoffzellensystem, d.h. des Brennstoffzellenstacks oder einzelner seiner Teile, beschreiben. Das zweite Modell ist ein datenbasiertes Modell, das beispielsweise durch einen Gaussprozess die Abweichung zwischen dem physikalischen Modell und dem tatsächlich gemessenen Verhalten des Brennstoffzellensystems vorhersagen soll. Das so trainierte zweite Modell kann nach dem Training zur Korrektur des physikalischen Modells unabhängig von nur während des Trainings gemessenen Messwerten für die Betriebsgröße eingesetzt werden, die nach dem Training vom Modell vorhergesagt werden. Die Betriebsgröße kann ein skalarer Wert sein. Die Bedingung ist durch den wenigstens einen Parameter beispielsweise erfüllt, wenn durch diesen die prädiktive Unsicherheit des bereits trainierten Modelles maximal wird. Dieser wenigstens eine Parameter wird beispielsweise durch ein Gradientenabstiegsverfahren ermittelt. Die wenigstens eine eingestellte Ansteuergröße kann ein skalarer Wert oder ein Vektor mit mehreren Werten für verschiedene Ansteuergrößen sein. Der Messwert für die Betriebsgröße wird am Brennstoffzellensystem erfasst. Die Betriebsgröße stellt sich am Brennstoffzellensystem durch eine Ansteuerung der Subsysteme, die den Brennstoffzellenstack versorgen ein, die abhängig von einem angeforderten Wert für die Betriebsgröße mit einer Strategie zur Ansteuerung des Brennstoffzellensystems festgelegt ist.The condition in the example is that the measure for the uncertainty is maximized. This can be done depending on a security condition, for example. The parameter can be a hyperparameter, for example for a Gaussian process. The measure of the uncertainty is an estimated uncertainty about the deviation for the set control variable. This uncertainty is, for example, by means of a probabilistic model, eg a Gaussian process. For example, the measure of uncertainty is defined by an entropy of a probability distribution of a nonlinear autoregressive exogenous Gaussian process model for time series, GP-NARX. For example, the at least one control variable that maximizes the degree of uncertainty is determined. This determines a maximally informative control variable for the training. The at least one control variable can also be determined, which maximizes the degree of uncertainty, in particular under the condition that the safety condition is met. This represents an iteration step in an iterative training with training data, in which the operating variable is predicted as a function of at least one set control variable. In iterative training, especially active learning, many iterations can be used in which the model is improved. The first model is a physical model that is based, for example, on differential equations that describe the behavior of the fuel cell system, ie the fuel cell stack or individual parts thereof. The second model is a data-based model that is intended to use a Gaussian process, for example, to predict the deviation between the physical model and the actually measured behavior of the fuel cell system. The second model trained in this way can be used after the training to correct the physical model, independently of measured values for the operating variable that were only measured during the training and are predicted by the model after the training. The operating size can be a scalar value. The condition is met by the at least one parameter, for example, if the predictive uncertainty of the model that has already been trained becomes maximum as a result of this. This at least one parameter is determined, for example, using a gradient descent method. The at least one set control variable can be a scalar value or a vector with multiple values for different control variables. The measured value for the operating variable is recorded on the fuel cell system. The operating variable is set in the fuel cell system by controlling the subsystems that supply the fuel cell stack, which is defined as a function of a requested value for the operating variable with a strategy for controlling the fuel cell system.

Vorzugsweise wird für die Vorhersage der Betriebsgröße eine Sequenz der wenigstens einen eingestellten Ansteuergröße innerhalb eines Zeitraums bereitgestellt. Die Sequenz ist durch eine Zeitreihe diskreter Werte der wenigstens einen eingestellten Ansteuergröße definiert. Die Länge des Zeitraums, d.h. der Zeitreihe, kann beliebig lang sein. Zur Reduktion der Rechenzeit kann eine Zeitreihe vorzugsweise nur Werte für einen vorangehenden Zeitpunkt oder nur für maximal zehn vorangehende Zeitpunkte umfassen.A sequence of the at least one set control variable within a period of time is preferably provided for the prediction of the operating variable. The sequence is defined by a time series of discrete values of the at least one set control variable. The length of the period, i.e. the time series, can be of any length. In order to reduce the computing time, a time series can preferably only include values for a previous point in time or only for a maximum of ten previous points in time.

Vorzugsweise wird die wenigstens eine eingestellte Ansteuergröße mit einem Sensor im Betrieb des Brennstoffzellensystems erfasst. Die eingestellte Ansteuergröße kann durch Sensoren präzise erfasst werden.The at least one set control variable is preferably detected with a sensor during operation of the fuel cell system. The set control variable can be precisely recorded by sensors.

Vorzugsweise wird mit wenigstens einem dritten Modell für wenigstens einen Teil des Brennstoffzellensystems abhängig von einer vorgegebenen Ansteuergröße für den wenigstens einen Teil des Brennstoffzellensystems eine Vorhersage für wenigstens eine eingestellte Ansteuergröße wenigstens einen Teils des Brennstoffzellensystems bestimmt, wobei die wenigstens eine eingestellte Ansteuergröße abhängig von der Vorhersage definiert ist. Eine zum ersten Zeitpunkt vorgegebene Ansteuergröße wird in einem realen Brennstoffzellensystem nicht unbedingt genau oder nicht sofort genau eingestellt. Mit dem dritten Modell wird abhängig von der vorgegebenen Ansteuergröße die tatsächlich eingestellte Ansteuergröße bestimmt. Dies senkt die Kosten, die ansonsten für Sensoren anfallen würden und/oder erlaubt es, auch Ansteuergrößen, für die keine Sensoren verfügbar sind, zu berücksichtigen. Preferably, at least one third model for at least part of the fuel cell system is used to determine a prediction for at least one set control variable for at least part of the fuel cell system, depending on a predefined control variable for at least one part of the fuel cell system, with the at least one set control variable being defined as a function of the prediction is. In a real fuel cell system, a control variable specified at the first point in time is not necessarily set precisely or not immediately precisely. With the third model, the control variable that is actually set is determined as a function of the specified control variable. This lowers the costs that would otherwise be incurred for sensors and/or makes it possible to also take control variables for which no sensors are available into account.

Vorzugsweise ist abhängig von der wenigstens einen vorzugebenden Ansteuergröße eine Kostenfunktion definiert, wobei die vorzugebende Ansteuergröße bestimmt wird, für die die Kostenfunktion eine Bedingung erfüllt. Die Kostenfunktion ist ein Maß für Safety-Kosten. Beispielsweise ist das Maß für die für Safety-Kosten durch die Wahrscheinlichkeit definiert, mit der die Zeitserie im sicheren Bereich liegt. Die Bedingung ist beispielsweise, dass die Kostenfunktion für die vorzugebende Ansteuergröße größer als ein Schwellwert ist. Das bedeutet, die vorzugebende Ansteuergröße maximiert das Maß für die Unsicherheit und erfüllt eine Nebenbedingung. Die Nebenbedingung ist beispielsweise, dass das Maß für die Unsicherheit größer als der Schwellwert ist.A cost function is preferably defined as a function of the at least one control variable to be specified, with the control variable to be specified for which the cost function fulfills a condition being determined. The cost function is a measure of safety costs. For example, the measure of the cost of safety is defined by the probability that the time series is within the safe range. The condition is, for example, that the cost function for the control variable to be specified is greater than a threshold value. This means that the control variable to be specified maximizes the degree of uncertainty and satisfies a secondary condition. The constraint is, for example, that the measure of uncertainty is greater than the threshold.

Vorzugsweise ist die Betriebsgröße eine elektrische Leistung, z.B. eine Klemmenleistung des Brennstoffzellenstacks, eine Spannung, ein Wirkungsgrad oder eine Abwärme, insbesondere eine thermische Leistung, des Brennstoffzellensystems. Oder eine davon abgeleitete Größe oder Ersatzgröße.The operating variable is preferably an electrical power, e.g. a terminal power of the fuel cell stack, a voltage, an efficiency or a waste heat, in particular a thermal power, of the fuel cell system. Or a derived size or substitute size.

Vorzugsweise definiert die eingestellte Ansteuergröße eine Druckdifferenz zwischen einer Anode und einer Kathode des Brennstroffzellensystems, eine Temperaturdifferenz zwischen einer ersten Temperatur eines Kühlmittels bei seinem Eintritt und einer zweiten Temperatur des Kühlmittels bei seinem Austritt aus dem Brennstoffzellensystem, eine Feuchte von Luft insbesondere bei ihrem Austritt aus dem Brennstoffzellensystem, einen Druck von Luft, Wasserstoff und/oder Kühlmittel, eine Betriebstemperatur, einen Luftmassestrom, einen Wasserstoffmolekülmassestrom, einen Kühlmediummassestrom oder eine elektrische Kenngröße insbesondere einen Strom, eine Stromdichte oder eine Spannung am Brennstoffzellensystem. Der Brennstoffzellenstack stellt mit den versorgenden Systemen das Brennstoffzellensystem als Gesamtsystem dar. Die Ansteuergröße definiert beispielsweise den Druck oder Luftmassestrom in einem Teil des Brennstoffzellensystems, welcher der Luftzu- und/oder abfuhr dient. Die Ansteuergröße kann den Wasserstoffmolekülmassestrom in einem Teil des Brennstoffzellensystems definieren, welcher der Zirkulation von Wasserstoff im Brennstoffzellensystem dient. Die Ansteuergröße kann den Kühlmediummassestrom eines Teils des Brennstoffzellensystems definieren, welcher der Kühlung des Brennstoffzellensystems dient. Die Ansteuergröße kann die elektrische Kenngröße eines elektrischen Teils des Brennstoffzellensystems definieren, beispielsweise einen Strom oder eine Spannung einer der Brennstoffzellen oder des Brennstoffzellensystems.The set control variable preferably defines a pressure difference between an anode and a cathode of the fuel cell system, a temperature difference between a first temperature a coolant when it enters and a second temperature of the coolant when it exits the fuel cell system, a humidity of air, in particular when it exits from the fuel cell system, a pressure of air, hydrogen and/or coolant, an operating temperature, an air mass flow, a hydrogen molecule mass flow, a cooling medium mass flow or an electrical parameter, in particular a current, a current density or a voltage on the fuel cell system. The fuel cell stack represents the fuel cell system as an overall system with the supplying systems. The control variable defines, for example, the pressure or air mass flow in a part of the fuel cell system, which serves to supply and/or remove air. The control variable can define the hydrogen molecule mass flow in a part of the fuel cell system which serves to circulate hydrogen in the fuel cell system. The control variable can define the cooling medium mass flow of a part of the fuel cell system, which is used to cool the fuel cell system. The control variable can define the electrical characteristic of an electrical part of the fuel cell system, for example a current or a voltage of one of the fuel cells or of the fuel cell system.

Vorzugsweise definiert die wenigstens eine vorgegebene Ansteuergröße einen Sollwert für eine Druckdifferenz zwischen einer Anode und einer Kathode des Brennstroffzellensystems, eine Temperaturdifferenz zwischen einer ersten Temperatur eines Kühlmittels bei seinem Eintritt und einer zweiten Temperatur des Kühlmittels bei seinem Austritt aus dem Brennstoffzellensystem, eine Feuchte von Luft insbesondere bei ihrem Austritt aus dem Brennstoffzellensystem, einen Sollwert für einen Druck von Luft, Wasserstoff und/oder Kühlmittel, eine Betriebstemperatur, eine Betriebstemperatur, einen Luftmassestrom, einen Wasserstoffmolekülmassestrom, einen Kühlmediummassestrom oder eine elektrische Kenngröße insbesondere einen Strom, eine Stromdichte oder eine Spannung des Brennstoffzellensystems. Die Ansteuergröße definiert beispielsweise einen Sollwert für den Druck oder Luftmassestrom in einem Teil des Gesamtsystems, welcher der Luftzu- und/oder abfuhr dient. Die Ansteuergröße kann den Sollwert für den Wasserstoffmolekülmassestrom in einem Teil des Gesamtsystems definieren, welcher der Zirkulation von Wasserstoff im Brennstoffzellensystem dient. Die Ansteuergröße kann den Sollwert für den Kühlmediummassestrom eines Teils des Gesamtsystems definieren, welcher der Kühlung des Brennstoffzellensystems dient. Die Ansteuergröße kann den Sollwert der elektrischen Kenngröße eines elektrischen Teils des Gesamtsystems definieren, beispielsweise einen Strom oder eine Spannung einer der Brennstoffzellen oder des Brennstoffzellensystems.Preferably, the at least one predetermined control variable defines a target value for a pressure difference between an anode and a cathode of the fuel cell system, a temperature difference between a first temperature of a coolant when it enters and a second temperature of the coolant when it exits the fuel cell system, a humidity of the air in particular when it exits the fuel cell system, a target value for a pressure of air, hydrogen and/or coolant, an operating temperature, an operating temperature, an air mass flow, a hydrogen molecule mass flow, a cooling medium mass flow or an electrical parameter, in particular a current, a current density or a voltage of the fuel cell system . The control variable defines, for example, a target value for the pressure or air mass flow in a part of the overall system that is used for air supply and/or exhaust. The control variable can define the target value for the hydrogen molecule mass flow in a part of the overall system, which serves to circulate hydrogen in the fuel cell system. The control variable can define the target value for the cooling medium mass flow of a part of the overall system, which is used to cool the fuel cell system. The control variable can define the target value of the electrical characteristic of an electrical part of the overall system, for example a current or a voltage of one of the fuel cells or of the fuel cell system.

Vorzugsweise wird wenigstens eine Betriebsgröße des Brennstoffzellensystems abhängig von der Vorhersage der Betriebsgröße und/oder abhängig von der Vorhersage für die Abweichung insbesondere nach einem Training unabhängig von der Abweichung bestimmt. Die Abweichung ist eine abhängig von den Messwerten definiert tatsächliche oder gemessene Abweichung. Das bedeutet, die Vorhersage der Betriebsgröße durch das physikalische Modell wird durch die Vorhersage für die Abweichung mit dem datenbasierten Modell korrigiert.At least one operating variable of the fuel cell system is preferably determined as a function of the prediction of the operating variable and/or as a function of the prediction for the deviation, in particular after training, independently of the deviation. The deviation is an actual or measured deviation defined depending on the measured values. This means that the prediction of the operating size by the physical model is corrected by the prediction for the deviation using the data-based model.

Eine Vorrichtung zum Betreiben eines Brennstoffzellenstacks sieht vor, dass die Vorrichtung ausgebildet ist, das Verfahren auszuführen. Die Vorrichtung umfasst wenigstens eine Recheneinrichtung zur Berechnung von Schritten im Verfahren und wenigstens einen Speicher für die Modelle und kann einen oder mehrere Sensoren umfassen, die die gemessenen Größen erfassen.A device for operating a fuel cell stack provides that the device is designed to carry out the method. The device comprises at least one computing device for calculating steps in the method and at least one memory for the models and can comprise one or more sensors that record the measured quantities.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt

  • 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems,
  • 2 eine schematische Darstellung eines Zusammenwirkens von Modellen für das Betreiben des Brennstoffzellensystems,
  • 3 Schritte in einem Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems,
  • 4 eine weitere schematische Darstellung eines Zusammenwirkens von Modellen für das Betreiben des Brennstoffzellensystems,
  • 5 Schritte in einem weiteren Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems.
Further advantageous embodiments result from the following description and the drawing. In the drawing shows
  • 1 a schematic representation of a device for operating a fuel cell system,
  • 2 a schematic representation of an interaction of models for the operation of the fuel cell system,
  • 3 Steps in a method for operating the fuel cell system,
  • 4 a further schematic representation of an interaction of models for the operation of the fuel cell system,
  • 5 Steps in another method of operating the fuel cell system.

In 1 ist eine Vorrichtung 100 zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoffzellenstack schematisch dargestellt. Die Vorrichtung 100 ist ausgebildet, ein im Folgenden beschriebenes Verfahren auszuführen. Die Vorrichtung 100 umfasst ein erstes Modell 101, ein zweites Modell 102 und wenigstens ein drittes Modell 103. Das Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstack und versorgende Systeme. Das Brennstoffzellensystem bildet ein Gesamtsystem, das im Beispiel zumindest teilweise mit dem wenigstens einen dritten Modell 103 modelliert wird. Das wenigstens eine dritte Modell 103 ist im Beispiel ebenfalls ein insbesondere durch Differenzialgleichungen beschriebenes chemisches oder physikalisches Modell.In 1 a device 100 for operating a fuel cell system with a fuel cell stack is shown schematically. The device 100 is designed to carry out a method described below. The device 100 includes a first model 101, a second model 102 and at least a third model 103. The fuel cell system includes a fuel cell stack and supplying systems. The fuel cell system forms an overall system that is at least partially modeled with the at least one third model 103 in the example. The at least one third model 103 is in the example also a chemical or physical model described in particular by differential equations.

Im Beispiel sind die folgenden vier dritten Modelle 103 dargestellt:

  • Ein Modell 103-1 für einen Teil des Gesamtsystems, welcher der Luftzu- und/oder abfuhr dient.
  • Ein Modell 103-2 für einen Teil des Gesamtsystems, welcher der Zudosierung von Wasserstoff aus einem Tanksystem, der Abfuhr des Purgegases aus dem Anodenpfad, der Entwässerung des Anodenpfades und der Zirkulation von Wasserstoff im Brennstoffzellensystem dient.
  • Ein Modell 103-3 für einen Teil des Gesamtsystems, welcher der Kühlung des Brennstoffzellensystems dient.
  • Ein Modell 103-4 für einen elektrischen Teils des Gesamtsystems, welcher die elektrische Leistung des Brennstoffzellenstacks in ein Bordnetz oder ein anderes elektrisches Netz überträgt, beispielsweise mittels eines DC/DC-Wandlers und weiteren Komponenten z.B. Vorrichtung für Kurzschluss, Strommessung, Spannungsmessung des Brennstoffzellenstacks und/oder von Zellpaketen und/oder Einzelzellen des Brennstoffzellenstacks.
The following four third models 103 are shown in the example:
  • A model 103-1 for a part of the overall system that is used for air supply and/or exhaust.
  • A model 103-2 for part of the overall system, which is used for metering in hydrogen from a tank system, removing the purge gas from the anode path, draining the anode path and circulating hydrogen in the fuel cell system.
  • A model 103-3 for a part of the overall system, which is used to cool the fuel cell system.
  • A model 103-4 for an electrical part of the overall system, which transmits the electrical power of the fuel cell stack to an on-board network or another electrical network, for example by means of a DC/DC converter and other components, e.g. devices for short circuits, current measurement, voltage measurement of the fuel cell stack and / or cell stacks and / or individual cells of the fuel cell stack.

Das erste Modell 101 ist als physikalisches Modell ausgebildet, das beispielsweise mittels Differentialgleichungen physikalische Zusammenhänge im Brennstoffzellensystem beschreibt.The first model 101 is designed as a physical model that describes physical relationships in the fuel cell system, for example by means of differential equations.

Das zweite Modell 102 ist als datenbasiertes Modell ausgebildet, das ein Differenzmodell zwischen dem physikalischen Modell und dem tatsächlichen Verhalten des Brennstoffzellensystems modelliert.
Bisher existieren keine genauen, dynamischen Modelle, welche das Verhalten des gesamten Brennstoffzellensystems beschreiben. Obwohl einzelne Teile des Gesamtsystems mit dem wenigstens einen dritten Modell 103 gut beschrieben werden können, ist das dynamische Zusammenspiel dieser im Gesamtsystem nicht oder nur wenig bekannt.
The second model 102 is designed as a data-based model that models a differential model between the physical model and the actual behavior of the fuel cell system.
So far, there are no precise, dynamic models that describe the behavior of the entire fuel cell system. Although individual parts of the overall system can be described well with the at least one third model 103, the dynamic interaction of these in the overall system is little or not at all known.

Ziel der Modellierung ist somit zu einem Zeitpunkt t eine Vorhersage beispielsweise der elektrischen Leistung des Brennstoffzellensystems zu einem nächsten Zeitpunkt t+1 in Abhängigkeit möglicher Ansteuergrößen zum Zeitpunkt t sowie innerhalb eines kurzen vorherigen Zeitraumes T.The aim of the modeling is therefore at a point in time t a prediction, for example, of the electrical power of the fuel cell system at a next point in time t+1 depending on possible control variables at point in time t and within a short previous time period T.

Diese Modellierung basiert auf einem hybriden Modell, das einen chemischen und/oder physikalischen und einen datenbasierten Anteil aufweist. Der chemische und physikalische Anteil besteht aus bereits bekannten Teilen des Gesamtsystems, für die das erste Modell 101 und das wenigstens eine dritte Modell 103 in Form von Differentialgleichungen definiert ist. Beispiele für die verwendeten Differentialgleichungen welche das dynamische Verhalten der einzelnen Teile des Gesamtsystems, im Beispiel des Luftsystems, des Kühlsystems, des Wasserstoffsystems und des elektrischen Systems, beschreiben, sind bekannt, beispielsweise aus:

  1. [1] Control Analysis of an Ejector Based Fuel Cell Anode Recirculation System, Amey Y. Karnik, Jing Sun and Julia H. Buckland.
  2. [2] Model-based control of cathode pressure and oxygen excess ratio of a PEM fuel cell system, Michael A. Danzer, Jörg Wilhelm, Harald Aschemann, Eberhard P. Hofer.
  3. [3] Humidity and Pressure Regulation in a PEM Fuel Cell Using a Gain-Scheduled Static Feedback Controller, Amey Y. Karnik, Jing Sun, Fellow, IEEE, Anna G. Stefanopoulou, and Julia H. Buckland.
  4. [4] MODELING AND CONTROL OF AN EJECTOR BASED ANODE RECIRCULATION SYSTEM FOR FUEL CELLS, Amey Y. Karnik, Jing Sun.
  5. [5] Flachheitsbasierter Entwurf von Mehrgrößenregelungen am Beispiel eines Brennstoffzellensystems, Daniel Zirkel.
  6. [6] Modellprädiktive Regelung eines PEM-Brennstoffzellensystems, Jens Niemeyer.
  7. [7] Regelung zum effizienten Betrieb eines PEM-Brennstoffzellensystems, Christian Hähnel
This modeling is based on a hybrid model that has a chemical and/or physical and a data-based part. The chemical and physical part consists of parts of the overall system that are already known, for which the first model 101 and the at least one third model 103 are defined in the form of differential equations. Examples of the differential equations used, which describe the dynamic behavior of the individual parts of the overall system, in the example of the air system, the cooling system, the hydrogen system and the electrical system, are known, for example from:
  1. [1] Control Analysis of an Ejector Based Fuel Cell Anode Recirculation System, Amey Y Karnik, Jing Sun and Julia H Buckland.
  2. [2] Model-based control of cathode pressure and oxygen excess ratio of a PEM fuel cell system, Michael A. Danzer, Jörg Wilhelm, Harald Aschemann, Eberhard P. Hofer.
  3. [3] Humidity and Pressure Regulation in a PEM Fuel Cell Using a Gain-Scheduled Static Feedback Controller, Amey Y Karnik, Jing Sun, Fellow, IEEE, Anna G Stefanopoulou, and Julia H Buckland.
  4. [4] MODELING AND CONTROL OF AN EJECTOR BASED ANODE RECIRCULATION SYSTEM FOR FUEL CELLS, Amey Y. Karnik, Jing Sun.
  5. [5] Flatness-based design of multivariable controls using the example of a fuel cell system, Daniel Zirkel.
  6. [6] Model predictive control of a PEM fuel cell system, Jens Niemeyer.
  7. [7] Regulation for efficient operation of a PEM fuel cell system, Christian Hähnel

Alle diese Teile des Gesamtsystems besitzen einzelne Stellgrößen, welche ihre Dynamik beeinflussen. Im Folgenden sind für beispielhafte Teile des Gesamtsystems die Stellgrößen Brennstoffzellensystems und deren Beschreibung angeführt, mit denen die Dynamik beeinflussbar ist, oder durch die die Dynamik beeinflusst wird. Diese Größen sind darüber hinaus auch wesentlich für die Degradation oder Alterung der einzelnen Komponenten insbesondere des Brennstoffzellenstacks und für den Energieverbrauch oder Leistungsbedarf der den Brennstoffzellenstack versorgenden Systemen insbesondere durch parasitäre Verluste. Beispielsweise kann allein ein Luftverdichter des Brennstoffzellensystems 15% der Brennstoffzellenstackleistung verbrauchen. Diese Leistung muss der Brennstoffzellenstack brutto mehr leisten damit er eine erwünschte Nettoleistung als Nutzleistung abgeben kann. All of these parts of the overall system have individual manipulated variables that affect their dynamics. The manipulated variables of the fuel cell system and their description, with which the dynamics can be influenced or by which the dynamics are influenced, are listed below for exemplary parts of the overall system. These sizes are also essential for the degradation or aging of the individual components in particular of the fuel cell stack and for the energy consumption or power requirements of the systems supplying the fuel cell stack, in particular due to parasitic losses. For example, an air compressor of the fuel cell system alone can consume 15% of the fuel cell stack power. The fuel cell stack must deliver this gross power so that it can deliver a desired net power as useful power.

1) Luftsystem1) air system

lambda_cath:lambda_cath: Luftüberschuss gegenüber Stöchiometrie im Kathodenpfad des Brennstoffzellensystems.Excess air over stoichiometry in the cathode path of the fuel cell system. mAir_cath:mAir_cath: Luftmassenstrom im Kathodenpfad des Brennstoffzellensystems.Air mass flow in the cathode path of the fuel cell system. p_cath:p_cath: Druck im Kathodenpfad des Brennstoffzellensystems.Pressure in the cathode path of the fuel cell system. T_cath:T_cath: Temperatur im Kathodenpfad des Brennstoffzellensystems.Temperature in the cathode path of the fuel cell system. fi_cath:fi_cath: Feuchte im Kathodenpfad des Brennstoffzellensystems.Humidity in the cathode path of the fuel cell system.

Dieser Teil des Brennstoffzellensystems dient der der Luftzu- und/oder abfuhr für den Brennstoffzellenstack.This part of the fuel cell system serves to supply and/or remove air for the fuel cell stack.

Die Größen lambda_cath und mAir_cath sind im Beispiel alternativ zueinander einsetzbar. Die Verwendung der Feuchte kann vorgesehen sein, wenn das Brennstoffzellensystem die Feuchte einer Zuluft einstellen kann.The variables lambda_cath and mAir_cath can be used alternatively in the example. Humidity can be used if the fuel cell system can adjust the humidity of an incoming air.

2) Wasserstoffsystem2) Hydrogen system

lambda_anod:lambda_anod: Wasserstoffmolekül-Überschuss, d.h. H2 Überschuss, gegenüber Stöchiometrie im Anodenpfad des BrennstoffzellensystemsHydrogen molecule excess, i.e. H2 excess, relative to stoichiometry in the anode path of the fuel cell system mH2_anod:mH2_anod: Wasserstoffmolekül-Massenstrom, d.h. H2 Massenstrom, im Anodenpfad des BrennstoffzellensystemsHydrogen molecule mass flow, i.e. H2 mass flow, in the anode path of the fuel cell system p_anod:p_anod: Druck im Anodenpfad des Brennstoffzellensystems.Pressure in the anode path of the fuel cell system. dp_anod_cath:dp_anod_cath: Differenzdruck zwischen Kathodenpfad und Anodenpfad im BrennstoffzellensystemDifferential pressure between the cathode path and the anode path in the fuel cell system mN2_anod:mN2_anod: Stickstoffmassenstrom, -konzentration oder ein Stickstoffmolekül-Strom in der AnodeNitrogen mass flow, concentration or a nitrogen molecule flow in the anode mH2_addfromtank:mH2_addfromtank: H2-Masse die oder H2-Massenstrom der von einem H2-Tank des Brennstoffzellensystems oder von außerhalb in den Anodenpfad zudosiert wird.H2 mass or H2 mass flow which is metered into the anode path from an H2 tank of the fuel cell system or from outside. Purge_actuation:Purge_actuation: Ansteuerung für Ablassen oder Entnahme von Anodengas aus dem Anodenpfad.Control for draining or removing anode gas from the anode path. Drain_actuation:Drain_actuation: Ansteuerung für Ablassen oder Entnahme von flüssigem Wasser aus dem Anodenpfad.Control for draining or removing liquid water from the anode path. Purge&Drain_actuation:Purge&Drain_actuation: zusammengefasste Ansteuerung der Ventile oder eines gemeinsamen Ventils für Purge_actuation und Drain_actuation.Combined control of the valves or a common valve for Purge_actuation and Drain_actuation.

Dieser Teil des Brennstoffzellensystems dient der Zirkulation von Wasserstoff und weiterer Funktionen für das Brennstoffzellensystem.This part of the fuel cell system is used for the circulation of hydrogen and other functions for the fuel cell system.

Die Größen lambda_anod und mH2_anod sind im Beispiel alternativ zueinander einsetzbar. Mit mH2_anod hängt beispielweise eine Rezirkulationsrate eines Wasserstoffrezirkulationsgebläses zusammen, wenn dieses im Brennstoffzellensystem vorhanden ist.The variables lambda_anod and mH2_anod can be used alternatively in the example. For example, a recirculation rate of a hydrogen recirculation fan is associated with mH2_anod if this is present in the fuel cell system.

Die Größe mH2_addfromtank kann zusätzlich eine Temperaturangabe umfassen. Die Größe mH2_addfromtank kann ergänzend zu lambda_anod oder zu mH2_anod oder kombiniert dazu verwendet werden.The variable mH2_addfromtank can also include a temperature specification. The quantity mH2_addfromtank can be used in addition to lambda_anod or mH2_anod or in combination with it.

Die Größe mN2_anod kann aus einer Modell-Berechnung abgeleitet werden oder durch einen Sensor ermittelt werden. Die Größe mN2_anod kann verwendet werden um eine Purge-Action zu triggern.The variable mN2_anod can be derived from a model calculation or determined by a sensor. The mN2_anod variable can be used to trigger a purge action.

Die Größe Purge_actuation kann zeitlich diskret, intervallartig eine Öffnungsdauer und/oder ein Öffnungsintervall eines Ventils für das Ablassen oder die Entnahme von Anodengas angeben. Beides kann variabel sein.The variable Purge_actuation can specify an opening duration and/or an opening interval of a valve for the venting or removal of anode gas in a time-discrete, interval-like manner. Both can be variable.

Die Größe Drain_actuation kann zeitlich diskret, intervallartig eine Öffnungsdauer und/oder ein Öffnungsintervall eines Ventils für das Ablassen oder die Entnahme von flüssigem Wasser angeben. Beides kann variabel sein.The variable Drain_actuation can specify an opening duration and/or an opening interval of a valve for draining or removing liquid water in a time-discrete, interval-like manner. Both can be variable.

3) Kühlsystem3) Cooling system

T_Stack_op:T_Stack_op: Betriebstemperatur von Kühlmittel für das Brennstoffzellensystem, d.h. näherungsweise eine Betriebstemperatur des Brennstoffzellensystems.Operating temperature of coolant for the fuel cell system, i.e. approximately an operating temperature of the fuel cell system. Fan_actuation:Fan_actuation: Ansteuerung eines LüftersControl of a fan dT_Stack:dT_Stack: Temperaturänderung des Kühlmittels, z.B. Erwärmung, über das Brennstoffzellensystem.Temperature change of the coolant, e.g. heating, via the fuel cell system. m_Cool:m_Cool: Kühlmittelmassenstrom durch einen Kühlpfad des Brennstoffzellensystems.Coolant mass flow through a cooling path of the fuel cell system. dp_Cool:dp_Cool: Druckabfall über den Kühlpfad des Brennstoffzellensystems.Pressure drop across the cooling path of the fuel cell system. Pump_actuation:Pump_actuation: Pumpenansteuerung zur Erzeugung des KühlmittelmassenstromsPump control for generating the coolant mass flow Valve_actuation:Valve_actuation: Ventilansteuerung zur Erzeugung des KühlmittelmassenstromsValve control for generating the coolant mass flow p_Cool:p_Cool: Druck im Kühlmittelpfad des Stacks.Pressure in the coolant path of the stack.

Dieser Teil des Brennstoffzellensystems dient der Zirkulation von Kühlmittel im Brennstoffzellensystem.This part of the fuel cell system serves to circulate coolant in the fuel cell system.

Die Größe T_Stack_op kann erweitert oder genauer auch für eine Membran, die eine temperaturkritische Komponente des Brennstoffzellenstacks darstellt, verwendet werden. Dazu kann beispielsweise mittels eines Modells von der Kühlmitteltemperatur, der Stackablufttemperatur, der Stackspannung und des Stackstroms auf die Membrantemperatur geschlossen werden.
Die Betriebstemperatur kann abhängig von einer Last, einer Umgebungstemperatur, der Ansteuerung des Lüfters, d.h. abhängig von Fan_actuation modelliert werden.
The variable T_Stack_op can be expanded or used more precisely for a membrane that represents a temperature-critical component of the fuel cell stack. For this purpose, the membrane temperature can be inferred, for example, by means of a model from the coolant temperature, the stack exhaust air temperature, the stack voltage and the stack current.
The operating temperature can be modeled depending on a load, an ambient temperature, the activation of the fan, ie depending on Fan_actuation.

Die Größe dT_Stack kann abhängig von einer Temperaturdifferenz zwischen einer Ausgangstemperatur und einer Eingangstemperatur des Kühlmittels bestimmt und mittels eines Massenstroms des Kühlmittels, beispielsweise mit einer Pumpe und einem Dreiwegeventil des Kühlsystems für das Brennstoffzellensystem eingestellt werden.The variable dT_Stack can be determined as a function of a temperature difference between an outlet temperature and an inlet temperature of the coolant and can be set using a mass flow of the coolant, for example with a pump and a three-way valve of the cooling system for the fuel cell system.

Alternativ zur Größe p_Cool kann ein Differenzdruck zur Kathode und/oder zur Anode verwendet werden.As an alternative to variable p_Cool, a differential pressure to the cathode and/or to the anode can be used.

4) Elektrisches System4) Electrical system

  • Spannung:Voltage:
  • Strom:Electricity:
  • Stromdichte:current density:
  • elektrische Leistung:electrical power:
  • Kurschlussrelais, Kurzschlussvorrichtungen und ggf. weitere elektrische AktorenShort-circuit relays, short-circuit devices and, if necessary, other electrical actuators

Die elektrische Größen Spannung, Strom, Stromdichte, elektrische Leistung des Brennstoffzellenstacks interagieren stark mit einem Stromnetzwerk, dessen Architektur sehr unterschiedlich sein kann.The electrical quantities of voltage, current, current density and electrical power of the fuel cell stack interact strongly with a power network, the architecture of which can be very different.

Beispielsweise kann die elektrische Leistung des Brennstoffzellenstacks mittels eines Gleichstromwandlers z.B. DC/DC-Wandlers, abhängig von einer Spannung und/oder einem Strom vom Brennstoffzellenstack an das Stromnetz übertragen werden. Beispielsweise kann der DC/DC-Wandler den vom Brennstoffzellenstack gezogenen Strom über ein Spannungsgefälle einstellen.For example, the electrical power of the fuel cell stack can be transmitted from the fuel cell stack to the power grid by means of a DC converter, e.g. DC/DC converter, depending on a voltage and/or a current. For example, the DC/DC converter can adjust the current drawn from the fuel cell stack via a voltage gradient.

Es kann ein Kurzschlussrelais vorgesehen sein, welches den Brennstoffzellenstack kurzschließt, d.h. beide Klemmen. Dies kann z.B. für einen Gefrierstart benutzt werden, bei dem zeitweise keine elektrische Leistung an ein Stromnetz abgegeben wird, sondern die elektrische Leistung in Wärme umgewandelt wird.A shorting relay can be provided which shorts the fuel cell stack, i.e. both terminals. This can be used, for example, for a freeze start, in which at times no electrical power is supplied to a power grid, but the electrical power is converted into heat.

Es können auch daraus abgeleitete Größen z.B. ein Widerstand oder Wirkungsgrad modelliert werden.Variables derived from this, e.g. resistance or efficiency, can also be modeled.

Diese Größen stellen Variablen dar. Es sind nicht alle möglichen Variablen abschließend angeführt. Von den Variablen kann es jeweils einen modellbasierten und einen gemessen Wert geben. Zusätzlich oder alternativ zu absoluten Größen können auch differentielle Größen oder Differenzen zu Referenzwerten verwendet werden. Es kann auch nur eine Teilmenge der möglichen Variablen als Parameter für die Modellierung verwendet werden.These quantities represent variables. Not all possible variables are exhaustively listed. Each variable can have a model-based value and a measured value. In addition or as an alternative to absolute variables, differential variables or differences from reference values can also be used. Only a subset of the possible variables can also be used as parameters for the modelling.

Die Vorrichtung 100 umfasst eine Ansteuereinrichtung 104, die ausgebildet ist, das Brennstoffzellensystem oder die Subsysteme zum Betrieb des Brennstoffzellenstacks mit den einzelnen Stellgrößen anzusteuern. Die Vorrichtung 100 kann eine Messeinrichtung 106, insbesondere einen Sensor zur Erfassung von Größen am Brennstoffzellensystem umfassen. Die Vorrichtung umfasst im Beispiel wenigstens eine Recheneinrichtung 108, die ausgebildet ist, Schritte in einem im Folgenden beschriebenen Verfahren auszuführen und wenigstens einen Speicher 110 für die Modelle. Die wenigstens eine Recheneinrichtung 108 kann eine lokale Recheneinrichtung in einem Fahrzeug, eine Recheneinrichtung auf einem Server oder in der Cloud oder eine insbesondere auf mehrere Server oder das Fahrzeug und wenigstens einen Server verteilte Recheneinrichtung sein.The device 100 includes a control device 104, which is designed to control the fuel cell system or the subsystems for operating the fuel cell stack with the individual manipulated variables. The device 100 can include a measuring device 106, in particular a sensor for detecting variables on the fuel cell system. In the example, the device comprises at least one computing device 108, which is designed to carry out steps in a method described below, and at least one memory 110 for the models. The at least one computing device 108 can be a local computing device in a vehicle, a computing device on a server or in the cloud, or a computing device distributed in particular across a plurality of servers or the vehicle and at least one server.

Anhand der 2 wird ein Zusammenwirken der Modelle für das Betreiben des Brennstoffzellensystems beschrieben.Based on 2 an interaction of the models for the operation of the fuel cell system is described.

Für das Brennstoffzellensystem ist im Beispiel eine bereitzustellende Betriebsgröße y_req als Eingangsgröße definiert. Vorzugsweise ist diese Betriebsgröße eine elektrische Leistung, eine Spannung, ein Wirkungsgrad oder eine Abwärme, insbesondere eine thermische Leistung, des Brennstoffzellensystems. Das Brennstoffzellensystem soll mit wenigstens einer Ansteuergröße u_req derart angesteuert werden, dass die Brennstoffzelle diese Betriebsgröße tatsächlich bereitstellt. Diese wenigstens eine Ansteuergröße u_req stellt einen Sollwert für die Ansteuerung des Brennstoffzellensystems durch die Ansteuereinrichtung 104 dar. Im Beispiel wird die bereitzustellende Betriebsgröße y_req durch eine Strategie für die Ansteuerung auf die wenigstens eine Ansteuergröße u_req abgebildet. Die Strategie kann eine Abbildung der bereitzustellenden Betriebsgröße y_req durch eine vorgegebene lineare oder nichtlineare Funktion oder durch eine vorgegebene Tabelle auf die wenigstens eine Ansteuergröße u_req sein.In the example, an operating variable y_req to be provided is defined as an input variable for the fuel cell system. This operating variable is preferably electrical power, voltage, efficiency or waste heat, in particular thermal power, of the fuel cell system. The fuel cell system should be controlled with at least one control variable u_req in such a way that the fuel cell actually provides this operating variable. This at least one control variable u_req represents a target value for the control of the fuel cell system by control device 104. In the example, the operating variable y_req to be provided is mapped to the at least one control variable u_req by a strategy for the control. The strategy can be a mapping of the operating variable y_req to be provided by a predefined linear or non-linear function or by a predefined table onto the at least one control variable u_req.

Aufgrund von Totzeiten, Trägheiten, Hysteresen, Alterungseffekte oder Abweichungen der Aktuatoren vom Sollwert kann sich eine von dem Sollwert abweichende Ansteuergröße einstellen. Diese kann einerseits als tatsächlich eingestellte Ansteuergröße u_act beispielsweise von einem Sensor erfasst werden. Andererseits kann die wenigstens eine eingestellte Ansteuergröße u_pred als Vorhersage mit dem wenigstens einen dritten Modell 103 bestimmt werden. Im Beispiel wird für wenigstens einen Teil des Brennstoffzellensystems insbesondere für den Brennstoffzellenstack oder für wenigstens eines der Subsysteme zu dessen Versorgung abhängig von einer vorgegebenen Ansteuergröße x[subsy]_req für den wenigstens einen Teil des Brennstoffzellensystems eine Vorhersage x[subsy]_pred für die wenigstens eine eingestellte Ansteuergröße u_pred wenigstens den Teil des Brennstoffzellensystems bestimmt und die wenigstens eine eingestellte Ansteuergröße u_pred abhängig von der Vorhersage x[subsy]_pred definiert. Die Größen x[subsy]_req sind im Beispiel in einem Vektor zusammengefasst, der die Ansteuergröße u_req definiert. Jede der oben angeführten Stellgrößen kann als Größe x[subsy]_req für den jeweiligen Teil des Brennstoffzellensystems eingesetzt werden. Wenn mehrere Stellgrößen für einen Teil vorgesehen sind, stellt die Größe x[subsy]_req einen Vektor dar, der diese Stellgrößen umfasst. Exemplarisch werden im Folgenden nur ausgewählte Größen beschrieben.Due to dead times, inertia, hysteresis, aging effects or deviations from the setpoint of the actuators, a control variable that deviates from the setpoint can occur. On the one hand, this can be detected by a sensor, for example, as the control variable u_act that is actually set. On the other hand, the at least one set control variable u_pred can be determined as a prediction using the at least one third model 103. In the example, for at least part of the fuel cell system, in particular for the fuel cell stack or for at least one of the subsystems for its supply, a prediction x[subsy]_pred for the at least one set control variable u_pred determines at least part of the fuel cell system and defines the at least one set control variable u_pred depending on the prediction x[subsy]_pred. In the example, the variables x[subsy]_req are combined in a vector that defines the control variable u_req. Each of the control variables listed above can be used as a variable x[subsy]_req for the respective part of the fuel cell systems are used. If several manipulated variables are provided for a part, the variable x[subsy]_req represents a vector that includes these manipulated variables. Only selected sizes are described below as examples.

In 2 sind die Größen für das Modell 103-1 , d.h. für das Luftsystem, mit [subsy] = A bezeichnet, die Größen für das Modell 103-2, d.h. für das Wasserstoffsystem, mit [subsy] = H, die Größen für das Modell 103-3, d.h. für das Kühlsystem, mit [subsy] = C und die Größen für das Modell 103-4, d.h. für das elektrische System, mit [subsy] = E.In 2 are the quantities for the model 103-1, i.e. for the air system, denoted by [subsy] = A, the quantities for the model 103-2, i.e. for the hydrogen system, with [subsy] = H, the quantities for the model 103 -3, ie for the cooling system, with [subsy] = C and the sizes for the model 103-4, ie for the electrical system, with [subsy] = E.

Es können alle oder nur Teile der tatsächlichen Ansteuergrößen abhängig von der jeweils vorgegebenen Ansteuergröße mit dem Modell bestimmt oder gemessen werden.All or only parts of the actual control variables can be determined or measured with the model depending on the respectively specified control variable.

Unabhängig davon, ob die eingestellte Ansteuergröße gemessen, u_act, oder modelliert, u_pred, ist kann diese eine Druckdifferenz zwischen einer Anode und einer Kathode des Brennstroffzellensystems, eine Temperaturdifferenz zwischen einer ersten Temperatur eines Kühlmittels bei seinem Eintritt und einer zweiten Temperatur des Kühlmittels bei seinem Austritt aus dem Brennstoffzellensystem, eine Feuchte von Luft insbesondere bei ihrem Austritt aus dem Brennstoffzellensystem, einen Druck von Luft, Wasserstoff und/oder Kühlmittel, eine Betriebstemperatur, einen Luftmassestrom, einen Wasserstoffmolekülmassestrom, einen Kühlmediummassestrom oder eine elektrische Kenngröße insbesondere einen Strom, eine Stromdichte oder eine Spannung am Brennstoffzellensystem sein. Das Brennstoffzellensystem stellt ein Gesamtsystem dar.Regardless of whether the set control variable is measured, u_act, or modeled, u_pred, this can be a pressure difference between an anode and a cathode of the fuel cell system, a temperature difference between a first temperature of a coolant when it enters and a second temperature of the coolant when it exits from the fuel cell system, air humidity, in particular when it exits the fuel cell system, air, hydrogen and/or coolant pressure, operating temperature, air mass flow, hydrogen molecule mass flow, cooling medium mass flow or an electrical parameter, in particular a current, a current density or a voltage at the fuel cell system. The fuel cell system represents an overall system.

Die Ansteuergröße definiert beispielsweise eine Druckdifferenz zwischen einer Anode und einer Kathode des Brennstroffzellensystems, eine Temperaturdifferenz zwischen einer ersten Temperatur eines Kühlmittels bei seinem Eintritt und einer zweiten Temperatur des Kühlmittels bei seinem Austritt aus dem Brennstoffzellensystem, eine Feuchte von Luft insbesondere bei ihrem Austritt aus dem Brennstoffzellensystem, den Druck von Luft, Wasserstoff und/oder Kühlmittel, eine Betriebstemperatur oder Luftmassestrom in einem Teil des Brennstoffzellensystems, welcher der Luftzu- und/oder abfuhr dient. Die eingestellte Ansteuergröße kann den Wasserstoffmolekülmassestrom in dem Teil des Brennstoffzellensystems definieren, welcher der Zirkulation von Wasserstoff im Brennstoffzellensystem dient. Die Ansteuergröße kann den Kühlmediummassestrom eines Teils des Brennstoffzellensystems definieren, welcher der Kühlung des Brennstoffzellensystems dient. Die eingestellte Ansteuergröße kann die Betriebstemperatur welche näherungsweise eine Kühlmitteltemperatur ist, definieren. Die eingestellte Ansteuergröße kann die elektrische Kenngröße eines elektrischen Teils des Brennstoffzellensystems definieren, beispielsweise einen Strom, eine Stromdichte oder eine Spannung einer der Brennstoffzellen oder des Brennstoffzellensystems.The control variable defines, for example, a pressure difference between an anode and a cathode of the fuel cell system, a temperature difference between a first temperature of a coolant when it enters and a second temperature of the coolant when it exits the fuel cell system, a humidity of the air in particular when it exits the fuel cell system , the pressure of air, hydrogen and/or coolant, an operating temperature or air mass flow in a part of the fuel cell system, which is used for air supply and/or discharge. The set control variable can define the hydrogen molecule mass flow in that part of the fuel cell system which serves to circulate hydrogen in the fuel cell system. The control variable can define the cooling medium mass flow of a part of the fuel cell system, which is used to cool the fuel cell system. The set control variable can define the operating temperature, which is approximately a coolant temperature. The set control variable can define the electrical characteristic of an electrical part of the fuel cell system, for example a current, a current density or a voltage of one of the fuel cells or of the fuel cell system.

Vorzugsweise definiert die wenigstens eine vorgegebene Ansteuergröße u_req den Sollwert für den Druck, die Betriebstemperatur, den Luftmassestrom, den Wasserstoffmolekülmassestrom, den Kühlmediummassestrom oder die elektrische Kenngröße insbesondere den Strom oder die Spannung des Brennstoffzellensystems. Die Ansteuergröße xA_req definiert im Beispiel zu einem Zeitpunkt t einen Sollwert für den Druck oder Luftmassestrom im Teil des Gesamtsystems, welcher der Luftzu- und/oder abfuhr dient. Die Ansteuergröße xH_req definiert im Beispiel zum Zeitpunkt t einen Sollwert für den Wasserstoffmolekülmassestrom in dem Teil des Gesamtsystems, welcher der Zirkulation von Wasserstoff im Brennstoffzellensystem dient. Die Ansteuergröße xC_req definiert im Beispiel zum Zeitpunkt t den Sollwert für den Kühlmediummassestrom des Teils des Gesamtsystems, welcher der Kühlung des Brennstoffzellensystems dient. Die Ansteuergröße kann auch die Betriebstemperatur welche näherungsweise die Kühlmitteltemperatur ist, definieren. Die Ansteuergröße xE_req definiert im Beispiel zum Zeitpunkt t den Sollwert der elektrischen Kenngröße des elektrischen Teils des Gesamtsystems, beispielsweise den Strom oder die Spannung der der Brennstoffzellen oder des Brennstoffzellensystems. Im Beispiel ist die vorgegebene Ansteuergröße u_req ein Vektor u_req = (xA_req, xH_req, xC_req, xE_req)τ. Dementsprechend ist die sich einstellende Ansteuergröße im Beispiel durch einen Vektor definiert. Für den Fall, dass alle sich einstellenden Ansteuergrößen messbar sind ist die sich einstellende Ansteuergröße u_act = (xA_act, xH_act, xC_act, xE_act)τ. Für den Fall, dass alle sich einstellenden Ansteuergrößen modelliert werden ist die sich einstellende Ansteuergröße u_pred = (xA_pred, xH_ pred, xC_pred, xE_pred)τ. Vorzugsweise werden Mischformen verwendet, in denen die mit am Brennstoffzellensystem ohnehin verfügbaren Sensoren messbaren sich einstellenden Ansteuergrößen gemessen und die anderen modelliert werden.The at least one predefined control variable u_req preferably defines the setpoint for the pressure, the operating temperature, the air mass flow, the hydrogen molecule mass flow, the cooling medium mass flow or the electrical parameter, in particular the current or the voltage of the fuel cell system. In the example, the control variable xA_req defines at a point in time t a setpoint value for the pressure or air mass flow in the part of the overall system that is used for air supply and/or exhaust. In the example, at time t, control variable xH_req defines a target value for the hydrogen molecule mass flow in that part of the overall system that serves to circulate hydrogen in the fuel cell system. In the example, at time t, control variable xC_req defines the target value for the cooling medium mass flow of that part of the overall system that is used to cool the fuel cell system. The control variable can also define the operating temperature, which is approximately the coolant temperature. In the example, the control variable xE_req defines the setpoint value of the electrical parameter of the electrical part of the overall system at time t, for example the current or the voltage of the fuel cells or of the fuel cell system. In the example, the specified control variable u_req is a vector u_req=(xA_req, xH_req, xC_req, xE_req) τ . Accordingly, the control variable that is set is defined by a vector in the example. In the event that all control variables that arise are measurable, the control variable that arises is u_act=(xA_act, xH_act, xC_act, xE_act) τ . In the event that all control variables that arise are modeled, the control variable that arises is u_pred=(xA_pred, xH_pred, xC_pred, xE_pred) τ . Mixed forms are preferably used in which the control variables that are measurable with sensors that are available in any case on the fuel cell system are measured and the others are modeled.

Durch das erste Modell 101 wird abhängig von der wenigstens einen sich einstellenden Ansteuergröße eine Betriebsgröße y_act des Brennstoffzellensystems bestimmt. Im Beispiel ist die sich einstellende Betriebsgröße ein Skalar, es kann aber auch ein Vektor mit mehreren Werten unterschiedlicher Betriebsgrößen durch das erste Modell 101 bestimmt werden. Im Beispiel wird für das erste Modell 101 als stationär-Modell das Brennstoffzellenmodell nach Kulikovsky eingesetzt. Das Modell nach Kulikovsky wurde analytisch aus dem zugrundeliegenden Differentialgleichungssystem zur Beschreibung der Elektrokinetik der Kathodenkatalysatorschicht abgeleitet. Dieses Modell verwendet die Eingangsgrößen Kathoden-Massenstrom, Kathoden-Lambda, Kathoden-Eingangsdruck, Kathoden-Ausgangsdruck, Luftfeuchte am Kathodeneintritt, Luftfeuchte am Kathodenaustritt, der Strom bzw. die Stromdichte, die Kühlmitteleintrittstemperatur, Kühlmittelaustrittstemperatur.An operating variable y_act of the fuel cell system is determined by the first model 101 as a function of the at least one control variable that is set. In the example, the operating variable that is set is a scalar, but a vector with multiple values of different operating variables can also be determined by the first model 101 . In the example, for the first model 101 is used as stationary-Mo dell uses the Kulikovsky fuel cell model. The Kulikovsky model was derived analytically from the underlying differential equation system for describing the electrokinetics of the cathode catalyst layer. This model uses the input variables cathode mass flow, cathode lambda, cathode inlet pressure, cathode outlet pressure, humidity at the cathode inlet, humidity at the cathode outlet, current or current density, coolant inlet temperature, coolant outlet temperature.

Durch das zweite Modell 102 wird abhängig von der wenigstens einen sich einstellenden Ansteuergröße eine Vorhersage für eine Abweichung dy_pred der vom ersten Modell 101 bestimmten Betriebsgröße y_act von einem tatsächlichen Wert der Betriebsgröße am Brennstoffzellensystem bestimmt. Für ein Training wird der tatsächlicher Wert, d.h. eine gemessene Betriebsgröße y_mes bestimmt. Die gemessene Betriebsgröße y_mes wird im Training, beispielsweise an einem Prüfstand oder online, d.h. während eines Betriebs eines Fahrzeugs, im Fahrzeug gemessen. Im Training wird abhängig von der gemessenen Betriebsgröße y_mes und der vom ersten Modell 101 bestimmten Betriebsgröße y_act an einer Vergleichseinrichtung 201 eine tatsächliche Abweichung dy bestimmt.Depending on the at least one control variable that is set, second model 102 determines a prediction for a deviation dy_pred of operating variable y_act determined by first model 101 from an actual value of the operating variable in the fuel cell system. The actual value, i.e. a measured operating variable y_mes, is determined for training. The measured operating variable y_mes is measured in the vehicle during training, for example on a test bench, or online, i.e. during operation of a vehicle. During training, an actual deviation dy is determined in a comparison device 201 as a function of the measured operating variable y_mes and the operating variable y_act determined by the first model 101 .

Das zweite Modell 102 ist im Beispiel das datenbasierte Modell, das durch den Gaussprozess eine Abweichung dy_pred zwischen dem ersten Modell 101 und dem tatsächlich gemessenen Verhalten des Brennstoffzellensystems vorhersagen soll. Im Training kann das zweite Modell 102 zunächst zufällig initialisiert sein und in Iterationen wie im Folgenden beschrieben trainiert werden.In the example, the second model 102 is the data-based model that is intended to use the Gaussian process to predict a deviation dy_pred between the first model 101 and the actually measured behavior of the fuel cell system. During training, the second model 102 can initially be randomly initialized and trained in iterations as described below.

Das zweite Modell 102 kann bereits trainiert sein. In diesem Fall kann die Messung der gemessenen Betriebsgröße y_mes und die Bestimmung der tatsächlichen Abweichung dy entfallen.The second model 102 can already be trained. In this case, the measurement of the measured operating variable y_mes and the determination of the actual deviation dy can be omitted.

Abhängig von der vom ersten Modell 101 bestimmten Betriebsgröße y_act und von der Vorhersage für die Abweichung dy_pred wird an einer Korrektureinrichtung 202 eine Betriebsgröße y_pred bestimmt. Das bedeutet, die Vorhersage der Betriebsgröße durch das physikalische Modell wird durch die Vorhersage für die Abweichung mit dem datenbasierten Modell korrigiert.An operating variable y_pred is determined at a correction device 202 as a function of the operating variable y_act determined by the first model 101 and of the prediction for the deviation dy_pred. This means that the prediction of the operating size by the physical model is corrected by the prediction for the deviation using the data-based model.

Die Recheneinrichtung 108 bestimmt im Training wenigstens einen Parameter P für das erste Modell 101 und/oder das zweite Modell 102. Der wenigstens eine Parameter P wird im Beispiel abhängig von der wenigstens einen Ansteuergröße u_req, der wenigstens einen sich einstellenden Ansteuergröße, d.h. der gemessenen Ansteuergröße u_act und/oder der modellierten Ansteuergröße u_pred, der Vorhersage für die Abweichung dy_pred und der Abweichung dy bestimmt. Dies wird im Folgenden beschrieben.During training, computing device 108 determines at least one parameter P for first model 101 and/or second model 102. In the example, the at least one parameter P is dependent on the at least one control variable u_req, the at least one control variable that is set, ie the measured control variable u_act and/or the modeled control variable u_pred, the prediction for the deviation dy_pred and the deviation dy. This is described below.

Das im Folgenden mit Bezug auf 3 beschriebene computerimplementierte Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems sieht in einem Schritt 301 vor, dass wenigstens eine Ansteuergröße u_req für eine Ansteuerung des Brennstoffzellensystems vorgegeben wird. Beim Training wird die wenigstens eine Ansteuergröße u_req unabhängig von der Strategie abhängig von einem Maß für eine Unsicherheit h(u_req) für die Vorhersage der Betriebsgröße y_pred des Brennstoffzellensystems durch das erste Modell 101 nach folgendem Vorgehen bestimmt. Dazu wird im Beispiel eine Zeitserie der eingestellten Ansteuergrößen u_act(t) der Teilsysteme für Zeitpunkte t = 1 ...T oder der modellierten eingestellten Ansteuergrößen u_pred(t) aus der berechneten Vorhersage für die Teilsysteme x[subsys]_pred(t) für Zeitpunkte t = 1..T verwendet.The following with reference to 3 The computer-implemented method described for operating a fuel cell system provides in a step 301 that at least one control variable u_req is specified for a control of the fuel cell system. During training, the at least one control variable u_req is determined independently of the strategy as a function of a measure of an uncertainty h(u_req) for predicting the operating variable y_pred of the fuel cell system by first model 101 using the following procedure. In the example, a time series of the set control variables u_act(t) of the subsystems for times t = 1...T or the modeled set control variables u_pred(t) from the calculated prediction for the subsystems x[subsys]_pred(t) for times is used t = 1..T used.

Für das Maß für die Unsicherheit h(u_req) wird die wenigstens eine vorgegebene Ansteuergröße u_req bestimmt, für die das Maß für die Unsicherheit h(u_req) eine Bedingung erfüllt.The at least one predefined control variable u_req for which the measure for the uncertainty h(u_req) satisfies a condition is determined for the measure for the uncertainty h(u_req).

Das Maß für die Unsicherheit ist eine geschätzte Unsicherheit, welche über die tatsächlich eingestellte Ansteuergröße besteht. Diese Unsicherheit wird beispielsweise mittels eines probabilistischen Modells, z.B. eines Gaussprozesses, bestimmt. Beispielsweise ist das Maß für die Unsicherheit durch eine Entropie einer Wahrscheinlichkeitsverteilung eines nichtlinearen autoregressiven exogenen Gaussprozessmodells für Zeitserien, NARX, definiert.The measure of the uncertainty is an estimated uncertainty about the control variable that is actually set. This uncertainty is determined, for example, using a probabilistic model, e.g. a Gaussian process. For example, the measure of uncertainty is defined by an entropy of a probability distribution of a nonlinear autoregressive exogenous Gaussian process model for time series, NARX.

Im Beispiel wird in einem Zeitpunkt t die wenigstens eine Ansteuergröße u_req als wenigstens einen vorzugebende Ansteuergröße u_req(t) bestimmt, die das Maß für die Unsicherheit maximiert. Dadurch wird eine maximal informative Stellgröße für das Training bestimmt. Es kann auch die wenigstens eine Ansteuergröße bestimmt werden, die das Maß für die Unsicherheit unter einer Nebenbedingung maximiert. Diese Nebenbedingung kann eine Sicherheitsbedingung sein.In the example, at a point in time t, the at least one control variable u_req is determined as at least one control variable u_req(t) to be specified, which maximizes the measure for the uncertainty. This determines a maximally informative control variable for the training. The at least one control variable that maximizes the measure of the uncertainty under a secondary condition can also be determined. This constraint can be a safety constraint.

In einem Aspekt ist abhängig von der wenigstens einen vorzugebenden Ansteuergröße u_req(t) eine Kostenfunktion s(u_req(t)) definiert. In diesem Fall wird die vorzugebende Ansteuergröße u_req(t) bestimmt, für die die Kostenfunktion s(u_req(t)) eine Bedingung c erfüllt. Die Kostenfunktion ist im Beispiel ein Maß für Safety-Kosten. Beispielsweise ist das Maß für die für Safety-Kosten durch die Wahrscheinlichkeit gegeben von beispielsweise einem Gaußprozessmodell definiert, dass eine Zeitreihe, die für die vorzugebende Ansteuergröße u_req(t) bestimmt wird, in einem für den Betrieb des Brennstoffzellensystems sicheren Bereich liegt. Die Bedingung c ist beispielsweise, dass die Kostenfunktion s(u_req(t)) für die vorzugebende Ansteuergröße u_req(t) größer als ein Schwellwert c ist. Das bedeutet, die vorzugebende Ansteuergröße u_req(t) maximiert das Maß für die Unsicherheit h(u_req(t)) und erfüllt eine Nebenbedingung s(u_req(t)) > c.In one aspect, a cost function s(u_req(t)) is defined as a function of the at least one control variable u_req(t) to be specified. In this case, the control variable u_req(t) to be specified is determined, for which the cost function s(u_req(t)) satisfies a condition c. In the example, the cost function is a measure of safety costs. For example, the measure for the safety costs is defined by the probability given by a Gaussian process model, for example, that a time series that is determined for the control variable u_req(t) to be specified is in a safe range for the operation of the fuel cell system. The condition c is, for example, that the cost function s(u_req(t)) for the control variable u_req(t) to be specified is greater than a threshold value c. This means that the control variable u_req(t) to be specified maximizes the measure of the uncertainty h(u_req(t)) and satisfies a secondary condition s(u_req(t)) > c.

Die Nebenbedingung für die Sicherheit, d.h. die Safety-Kosten, kann in folgender Weise definiert werden:

  1. a) Basierend auf physikalischem Wissen mit einer Menge an Nebenbedingungen, die alle erfüllt sein müssen,
  2. b) Basierend auf physikalischem Wissen mit einer einzigen Nebenbedingung, die alle sicherheitsrelevanten Aspekte zusammenfasst,
  3. c) Basierend auf datenbasierten machine learning Modellen, wie in a) jeweils eines pro sicherheitsrelevantem Aspekt,
  4. d) Basierend auf einem datenbasierten machine learning Modell, das wie in b) alle sicherheitsrelevanten Aspekte zusammenfasst,
  5. e) Basierend auf einer Kombination aus zusammenfassenden und einzelnen Kriterien, die jeweils auf physikalischem Wissen oder machine learning Modellen basieren.
The constraint for safety, ie the safety costs, can be defined in the following way:
  1. a) Based on physical knowledge with a set of constraints, all of which must be satisfied,
  2. b) Based on physical knowledge with a single constraint summarizing all safety-related aspects,
  3. c) Based on data-based machine learning models, as in a) one for each security-related aspect,
  4. d) Based on a data-based machine learning model that summarizes all security-related aspects as in b),
  5. e) Based on a combination of summary and individual criteria, each based on physical knowledge or machine learning models.

Es kann beispielsweise vorgesehen sein, über eine Impedanzmessung einen Zustand einer Zell-Membrane im Brennstoffzellensystems zu bewerten oder zu diagnostizieren. Die Impedanzmessung entspricht einem Sensor, der einen Betrieb oder eine Güte des Betriebs mittels eines Impedanzspektrums bewerten kann. Die Impedanzmessung kann ein Signal mit einer Frequenz verwenden, die den Betrieb des Brennstoffzellensystems nicht stört und ein Gütemaß liefert, welches auf einer Gesamtheit aller Stack-Betriebsgrößen resultiert, aber nicht auf einzelne Stellgrößen separat zurückgeführt werden kann. Das machine learning Modelle kann trainiert sein, dieses Signal als Maß für robusten Betrieb oder auch als Sicherheitsmaß oder Gütemaß für die Zell-Membran zu verwenden.Provision can be made, for example, to evaluate or diagnose a state of a cell membrane in the fuel cell system via an impedance measurement. The impedance measurement corresponds to a sensor that can evaluate an operation or a quality of operation using an impedance spectrum. The impedance measurement can use a signal with a frequency that does not disturb the operation of the fuel cell system and provides a quality measure that results from a total of all stack operating variables, but cannot be traced back separately to individual manipulated variables. The machine learning model can be trained to use this signal as a measure of robust operation or as a safety measure or quality measure for the cell membrane.

Letzteres stellt ein hybrides Modell dar. Das machine learning Modell oder die machine learning Modelle können jeweils Regressions- oder Klassifikationsmodelle sein.The latter represents a hybrid model. The machine learning model or models can each be regression or classification models.

Zur Bestimmung der vorzugebenden Ansteuergröße u_req(t) wird im Beispiel folgendes ausgeführt:

  • Ausgehend von einer Zeitserie u_req(t) = u_req(t-1), ... u_req(t-T) und einem dafür bekannten gemessenen Wert der Betriebsgröße y_mes(t) wird zunächst eine Abweichung dy(t) bestimmt. Für einen Approximation der Abweichung dy(t) durch das zweite Modell 102 ist für eine Eingabe x mit einer Mittelwertfunktion µ(x) und einer Kovarianzfunktion k(x_i_x_j) ein Gaußprozess GP definiert, welcher der Eingabe x_i = u_req(t-1), ... u_req(t-T) eine Ausgabe dy_pred(t) = f(x_i) = GP(µ(x_i),k(x_i, xj)) zuordnet. Für die Zeitserie u_req(t) = u_req (t-1), ... u_req(t-T) als Eingabe x_i wird als Ausgabe dy_pred(t) = f(x_i) die Vorhersage für die Abweichung dy_pred(t) zugeordnet.
To determine the control variable u_req(t) to be specified, the following is carried out in the example:
  • Based on a time series u_req(t)=u_req(t-1), ... u_req(tT) and a known measured value of the operating variable y_mes(t), a deviation dy(t) is first determined. For an approximation of the deviation dy(t) by the second model 102, a Gaussian process GP is defined for an input x with a mean value function µ(x) and a covariance function k(x_i_x_j), which corresponds to the input x_i = u_req(t-1), ... u_req(tT) assigns an output dy_pred(t) = f(x_i) = GP(µ(x_i),k(x_i, x j )). For the time series u_req(t) = u_req (t-1), ... u_req(tT) as input x_i, the prediction for the deviation dy_pred(t) is assigned as output dy_pred(t) = f(x_i).

Im Beispiel wird für diese Gaußprozess ein Gaußkern als Kovarianzfunktion k(x_i, x_j) und der Mittelwert zum Beispiel Null eingesetzt.In the example, a Gaussian kernel is used as the covariance function k(x_i, x_j) and the mean value is zero for this Gaussian process.

Für das Training soll eine vorzugebende Ansteuergröße u_req(t+1) bestimmt werden für welche die Vorhersage der Abweichung dy_pred(t+1) größtmöglichen Informationsgewinn hinsichtlich der Zuordnung von Eingabe x zu Ausgabe f(x) durch den Gaußprozess bietet. Dazu dient das Maß für die Unsicherheit h(u_req) und die Nebenbedingung wonach die Kostenfunktion s(u_req) die Bedingung c erfüllen muss. Im Beispiel wird mit dem Schwellwert C eine vorzugebende Ansteuergröße u_req (t+1) bestimmt als Max _ { u _ req } h ( u _ req ) wobei s ( u _ req ) > C .

Figure DE102020210081A1_0001
For the training, a control variable u_req(t+1) to be specified should be determined for which the prediction of the deviation dy_pred(t+1) offers the greatest possible information gain with regard to the assignment of input x to output f(x) by the Gaussian process. The measure for the uncertainty h(u_req) and the secondary condition according to which the cost function s(u_req) must fulfill condition c are used for this purpose. In the example, the threshold value C is used to determine a control variable u_req (t+1) to be specified as Max _ { and _ req } H ( and _ req ) where s ( and _ req ) > C .
Figure DE102020210081A1_0001

Hierbei kann h(u_req) = σ(u_req) gewählt werden, wobei σ(u_req) die prädiktive Varianz des auf den Daten trainierten Gaußprozesses ist.
Die Sicherheitsbedingung kann insbesondere durch einem weiteren Gaußprozess GP_{saf}, mit einemprädiktiven Mean µ_{saf}(u_req(t)) an den Stellen u_{req}(t) und einer prädiktiven Kovarianz σ_{saf}(u_{req}(t)) definiert sein. Dann ist die die Kostenfunktion s(u_req) definiert als s ( u _ { req } ( t ) ) = \ int _ { s 1 > 0, , sT > 0 } \ mathcal { N } ( s 1, , sT | \ mu _ { saf } ( u _ req ( t ) ) , \ Sigma _ { saf } ( u _ { req } ( t ) ) ) .

Figure DE102020210081A1_0002
Here, h(u_req)=σ(u_req) can be chosen, where σ(u_req) is the predictive variance of the Gaussian process trained on the data.
In particular, the safety condition can be determined by a further Gaussian process GP_{saf}, with a predictive mean µ_{saf}(u_req(t)) at the points u_{req}(t) and a predictive covariance σ_{saf}(u_{req}( t)) be defined. Then the cost function s(u_req) is defined as s ( and _ { req } ( t ) ) = \ internal _ { s 1 > 0, ... , sT > 0 } \ mathcal { N } ( s 1, ... , sT | \ mu _ { safe } ( and _ req ( t ) ) , \ Sigma _ { safe } ( and _ { req } ( t ) ) ) .
Figure DE102020210081A1_0002

Anschließend wird in einem Schritt 302 abhängig von der wenigstens einen Ansteuergröße u_req oder abhängig von wenigstens einer für die wenigstens eine Ansteuergröße u_req(t) eingestellten Ansteuergröße, d.h. im Beispiel der gemessenen Ansteuergröße u_act und/oder der modellierten Ansteuergröße u_pred, mit dem ersten Modell 101 die Vorhersage der Betriebsgröße y_act des Brennstoffzellensystems bestimmt.Subsequently, in a step 302, depending on the at least one control variable u_req or depending on at least one control variable set for the at least one control variable u_req(t), i.e. in the example the measured control variable u_act and/or the modeled control variable u_pred, with the first model 101 the prediction of the operating variable y_act of the fuel cell system is determined.

Anschließend wird in einem Schritt 303, die Abweichung dy der Vorhersage der Betriebsgröße y_act des Brennstoffzellensystems vom Messwert y_mes für die Betriebsgröße bestimmt.Subsequently, in a step 303, the deviation dy of the prediction of the operating variable y_act of the fuel cell system from the measured value y_mes for the operating variable is determined.

Vorzugsweise wird für die Vorhersage der Betriebsgröße y_act eine Sequenz der wenigstens einen eingestellten Ansteuergröße, d.h. im Beispiel der gemessenen Ansteuergröße u_act und/oder der modellierten Ansteuergröße u_pred, innerhalb eines Zeitraums T bereitgestellt. Die Sequenz ist durch eine Zeitreihe diskreter Werte der wenigstens einen eingestellten Ansteuergröße, d.h. im Beispiel der gemessenen Ansteuergröße u_act und/oder der modellierten Ansteuergröße u_pred, definiert. Die Länge des Zeitraums, d.h. der Zeitreihe, kann beliebig lang sein. Zur Reduktion der Rechenzeit kann eine Zeitreihe vorzugsweise nur Werte für einen vorangehenden Zeitpunkt oder nur für maximal zehn vorangehende Zeitpunkte umfassen. Vorzugsweise wird die wenigstens eine eingestellte Ansteuergröße u_act mit einem Sensor im Betrieb des Brennstoffzellensystems erfasst.A sequence of the at least one set control variable, i.e. in the example the measured control variable u_act and/or the modeled control variable u_pred, is preferably provided within a time period T for the prediction of the operating variable y_act. The sequence is defined by a time series of discrete values of the at least one set control variable, i.e. in the example the measured control variable u_act and/or the modeled control variable u_pred. The length of the period, i.e. the time series, can be of any length. In order to reduce the computing time, a time series can preferably only include values for a previous point in time or only for a maximum of ten previous points in time. The at least one set control variable u_act is preferably detected with a sensor during operation of the fuel cell system.

Anschließend wird in einem Schritt 304 abhängig von der wenigstens einen Ansteuergröße u_req oder abhängig von wenigstens einer für die wenigstens eine Ansteuergröße u_req(t) eingestellten Ansteuergröße, d.h. im Beispiel der gemessenen Ansteuergröße u_act und/oder der modellierten Ansteuergröße u_pred, mit dem zweiten Modell 102 die Vorhersage dy_pred der Abweichung dy bestimmt.Subsequently, in a step 304, depending on the at least one control variable u_req or depending on at least one control variable set for the at least one control variable u_req(t), i.e. in the example the measured control variable u_act and/or the modeled control variable u_pred, with the second model 102 the prediction dy_pred of the deviation dy is determined.

Anschließend wird in einem Schritt 305 abhängig von der Abweichung dy und der Vorhersage dy_pred der Abweichung dy der wenigstens eine Parameter P des ersten Modells 101 und/oder des zweiten Modells 102 bestimmt.Then, in a step 305, the at least one parameter P of the first model 101 and/or the second model 102 is determined as a function of the deviation dy and the prediction dy_pred of the deviation dy.

Anschließend wird der Schritt 301 ausgeführt.Step 301 is then executed.

Die Schritte stellen eine Iteration in einem iterativen Training mit Trainingsdaten dar, bei dem die Betriebsgröße abhängig von wenigstens einer vorgegebenen oder eingestellten Ansteuergröße vorhergesagt wird. Beim iterativen Training, insbesondere einem active learning, können viele Iterationen verwendet werden, in denen das erste Modell 101 und/oder das zweite Modell 102 verbessert wird. Das so trainierte zweite Modell kann nach dem Training zur Korrektur des physikalischen Modells unabhängig von gemessenen Messwerten für die Betriebsgröße eingesetzt werden.The steps represent an iteration in an iterative training with training data, in which the operating variable is predicted as a function of at least one predetermined or set control variable. In the case of iterative training, in particular active learning, many iterations can be used in which the first model 101 and/or the second model 102 is improved. After the training, the second model trained in this way can be used to correct the physical model, independently of measured values for the company variable.

In diesem Fall wird nach dem Training in einem Schritt 306 die wenigstens eine Ansteuergröße u_req abhängig von der einzustellenden Betriebsgröße y_req mit der Strategie bestimmt. Die Strategie ist im Beispiel festgelegt.In this case, after the training, in a step 306, the at least one control variable u_req is determined using the strategy as a function of the operating variable y_req to be set. The strategy is defined in the example.

Anschließend wird in einem Schritt 307 abhängig von der wenigstens einen Ansteuergröße u_req oder abhängig von wenigstens einer für die wenigstens eine Ansteuergröße u_req(t) eingestellten Ansteuergröße, d.h. im Beispiel der gemessenen Ansteuergröße u_act und/oder der modellierten Ansteuergröße u_pred, mit dem ersten Modell 101 die Vorhersage der Betriebsgröße y_act des Brennstoffzellensystems bestimmt.Subsequently, in a step 307, depending on the at least one control variable u_req or depending on at least one control variable set for the at least one control variable u_req(t), i.e. in the example the measured control variable u_act and/or the modeled control variable u_pred, with the first model 101 the prediction of the operating variable y_act of the fuel cell system is determined.

Anschließend wird in einem Schritt 308 abhängig von der wenigstens einen Ansteuergröße u_req oder abhängig von wenigstens einer für die wenigstens eine Ansteuergröße u_req(t) eingestellten Ansteuergröße, d.h. im Beispiel der gemessenen Ansteuergröße u_act und/oder der modellierten Ansteuergröße u_pred, mit dem zweiten Modell 102 die Vorhersage dy_pred der Abweichung dy bestimmt.Subsequently, in a step 308, depending on the at least one control variable u_req or depending on at least one control variable set for the at least one control variable u_req(t), i.e. in the example the measured control variable u_act and/or the modeled control variable u_pred, with the second model 102 the prediction dy_pred of the deviation dy is determined.

Anschließend wird in einem Schritt 309 abhängig von der die Vorhersage der Betriebsgröße y_act und der Vorhersage dy_pred der Abweichung dy die korrigierte Betriebsgröße y_pred bestimmt.Subsequently, in a step 309, the corrected operating variable y_pred is determined as a function of the prediction of the operating variable y_act and the forecast dy_pred of the deviation dy.

Anschließend wird der Schritt 306 ausgeführt.Step 306 is then executed.

Das Verfahren endet beispielsweise nach dem Training oder wenn das Brennstoffzellensystem abgeschaltet wird.The method ends, for example, after training or when the fuel cell system is switched off.

In einem Aspekt kann vorgesehen sein, das Verfahren unabhängig vom ersten Modell 101 auszuführen. Dies wird anhand der 4 und der 5 beschrieben.In one aspect, the method can be carried out independently of the first model 101 . This is based on the 4 and the 5 described.

Wie in 4 schematisch dargestellt, wird die tatsächliche Abweichung dy im Unterschied zu dem zuvor beschriebenen Vorgehen mit der Vergleichseinrichtung 201 abhängig von dem Messwert y_mes und einer Vorhersage des zweiten Modells 102 für die korrigierte Betriebsgröße y_pred bestimmt. Das erste Modell 101 und die Vorhersage y_act der Betriebsgröße werden nicht verwendet. Ansonsten wirken die Modelle wie zuvor beschrieben zusammen. In 4 bezeichnen dieselben Bezugszeichen Elemente mit derselben Funktion wie für 3 beschrieben.As in 4 shown schematically, the actual deviation dy is determined in contrast to the previously described procedure with the comparison device 201 depending on the measured value y_mes and a prediction of the second model 102 for the corrected performance variable y_pred. The first model 101 and the prediction y_act of the farm size are not used. Otherwise, the models interact as previously described. In 4 the same reference numerals denote elements having the same function as for 3 described.

Im Unterschied zu dem zuvor beschriebenen Verfahren wird wie folgt vorgegangen.In contrast to the method described above, the procedure is as follows.

In einem Schritt 501 wird, wie für den Schritt 301 beschrieben, die wenigstens eine Ansteuergröße u_req für eine Ansteuerung des Brennstoffzellensystems vorgegeben.In a step 501, as described for step 301, the at least one control variable u_req is specified for control of the fuel cell system.

Die in den Schritten 302 und 303 beschriebenen Aspekte zum ersten Modell 101 werden in diesem Aspekt nicht ausgeführt.The aspects of the first model 101 described in steps 302 and 303 are not carried out in this aspect.

In einem anschließenden Schritt 502 wird, wie für den Schritt 304 beschrieben, vorgegangen, wobei im Unterschied dazu abhängig von der wenigstens einen Ansteuergröße u_req oder abhängig von wenigstens einer für die wenigstens eine Ansteuergröße u_req(t) eingestellten Ansteuergröße u_act, u_pred mit dem zweiten Modell 102 die korrigierte Betriebsgröße y_pred bestimmt wird. Die korrigierte Betriebsgröße y_pred ist eine Vorhersage des Messwerts y_mes des Brennstoffzellensystems.In a subsequent step 502, the procedure is as described for step 304, in contrast to this depending on the at least one control variable u_req or depending on at least one control variable u_act, u_pred set for the at least one control variable u_req(t) with the second model 102 the corrected performance variable y_pred is determined. The corrected operating variable y_pred is a prediction of the measured value y_mes of the fuel cell system.

Anschließend wird in einem Schritt 503, die Abweichung dy der Korrigierten Betriebsgröße y_pred des Brennstoffzellensystems vom Messwert y_mes für die Betriebsgröße bestimmt.Subsequently, in a step 503, the deviation dy of the corrected operating variable y_pred of the fuel cell system from the measured value y_mes for the operating variable is determined.

In einem anschließenden Schritt 504 wird, wie für den Schritt 305 beschrieben vorgegangen, wobei im Unterschied dazu abhängig vom Messwert y_mes und der Vorhersage y_pred der wenigstens eine Parameter P des Modells 102 bestimmt wird.In a subsequent step 504, the procedure is as described for step 305, with the difference being that the at least one parameter P of the model 102 is determined as a function of the measured value y_mes and the prediction y_pred.

Das bedeutet, im Schritt 501 wird wie für Schritt 301 beschrieben vorgegangen, wobei im Unterschied dazu abhängig vom Maß für die Unsicherheit h(u_req) für die korrigierte Betriebsgröße y_pred, d.h. für die Vorhersage der Messgröße y_mes durch das zweite Modell 102, die wenigstens eine vorgegebene Ansteuergröße u_req bestimmt, für die das Maß für die Unsicherheit h(u_req) die Bedingung erfüllt.This means that in step 501 the procedure is as described for step 301, in contrast to this, depending on the measure of the uncertainty h(u_req) for the corrected operating variable y_pred, ie for the prediction of the measured variable y_mes by the second model 102, the at least one predetermined control variable u_req determined for which the measure of the uncertainty h(u_req) satisfies the condition.

Die Schritte 501 bis 504 können zum Training wiederholt werden.Steps 501 to 504 can be repeated for training.

Anschließend wird ein Schritt 505 mit dem so trainierten zweiten Modell 102 wie für den Schritt 306 beschrieben ausgeführt.A step 505 is then carried out with the second model 102 trained in this way, as described for step 306 .

Anschließend wird ein Schritt 506 wie für den Schritt 307 beschrieben ausgeführt.Subsequently, a step 506 as described for step 307 is executed.

Anschließend wird ein Schritt 507 wie für den Schritt 308 beschrieben ausgeführt.Subsequently, a step 507 as described for step 308 is executed.

Anschließend wird ein Schritt 508 wie für den Schritt 309 beschrieben ausgeführt.A step 508 as described for step 309 is then executed.

Die Schritte 505 bis 508 können wiederholt werden.Steps 505 through 508 can be repeated.

Das Verfahren endet beispielsweise nach dem Training oder wenn das Brennstoffzellensystem abgeschaltet wird.The method ends, for example, after training or when the fuel cell system is switched off.

Claims (13)

Computerimplementiertes Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Ansteuergröße (u_req) für eine Ansteuerung des Brennstoffzellensystems vorgegeben wird (301, 501), wobei abhängig von der wenigstens einen Ansteuergröße (u_req) oder abhängig von wenigstens einer für die wenigstens eine Ansteuergröße (u_req(t)) eingestellten Ansteuergröße (u_act, u_pred) mit einem Modell (102) eine Vorhersage (y_pred, dy_pred) einer Größe (y_mes, dy) des Brennstoffzellensystems bestimmt wird (304, 502), und wobei abhängig von der Größe (y_mes, dy) und der Vorhersage (y_pred, dy_pred) der Größe (y_mes, dy) wenigstens ein Parameter (P) des Modells (102) bestimmt wird (305, 504), wobei abhängig von einem Maß für eine Unsicherheit (h(u_req)) für die Vorhersage (y_pred, dy_pred) der Größe (y_mes, dy) durch das Modell (102) die wenigstens eine vorgegebene Ansteuergröße (u_req) bestimmt wird (301, 501), für die das Maß für die Unsicherheit (h(u_req)) eine Bedingung erfüllt.Computer-implemented method for operating a fuel cell system , characterized in that at least one control variable (u_req) for control of the fuel cell system is specified (301, 501), depending on the at least one control variable (u_req) or depending on at least one for the at least one control variable ( u_req(t)) set control variable (u_act, u_pred) with a model (102) a prediction (y_pred, dy_pred) of a variable (y_mes, dy) of the fuel cell system is determined (304, 502), and depending on the variable (y_mes , dy) and the prediction (y_pred, dy_pred) of the variable (y_mes, dy) at least one parameter (P) of the model (102) is determined (305, 504), depending on a measure of an uncertainty (h(u_req) ) for the prediction (y_pred, dy_pred) of the variable (y_mes, dy) by the model (102), the at least one predetermined control variable (u_req) is determined (301, 501), for which the measure of the uncertainty (h(u_req) ) one e condition fulfilled. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe (y_mes) ein Messwert (y_mes) für die Betriebsgröße ist, wobei die Vorhersage (y_pred) der Betriebsgröße des Brennstoffzellensystems abhängig von der wenigstens einen Ansteuergröße (u_req) oder abhängig von wenigstens einer für die wenigstens eine Ansteuergröße (u_req(t)) eingestellten Ansteuergröße (u_act, u_pred) mit dem Modell (102) bestimmt wird (502).procedure after claim 1 , characterized in that the variable (y_mes) is a measured value (y_mes) for the operating variable, the prediction (y_pred) of the operating variable of the fuel cell system depending on the at least one control variable (u_req) or depending on at least one for the at least one control variable ( u_req(t)) set control variable (u_act, u_pred) is determined with the model (102) (502). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig von der wenigstens einen Ansteuergröße (u_req) oder abhängig von wenigstens einer für die wenigstens eine Ansteuergröße (u_req(t)) eingestellten Ansteuergröße (u_act, u_pred) mit einem ersten Modell (101) eine Vorhersage einer Betriebsgröße (y_act) des Brennstoffzellensystems bestimmt wird (302), wobei die Größe (dy) eine Abweichung (dy) der Vorhersage der Betriebsgröße (y_act) des Brennstoffzellensystems von einem Messwert (y_mes) für die Betriebsgröße ist (303), wobei abhängig von der wenigstens einen Ansteuergröße (u_req) oder abhängig von wenigstens einer für die wenigstens eine Ansteuergröße (u_req(t)) eingestellten Ansteuergröße (u_act, u_pred) mit einem zweiten Modell (102) die Vorhersage (dy_pred) der Abweichung (dy) bestimmt wird (304).procedure after claim 1 , characterized in that a prediction of an operating variable (y_act ) of the fuel cell system is determined (302), the variable (dy) being a deviation (dy) of the prediction of the operating variable (y_act) of the fuel cell system from a measured value (y_mes) for the operating variable (303), depending on the at least one control variable (u_req) or depending on at least one control variable (u_act, u_pred) set for the at least one control variable (u_req(t)) with a second model (102) the prediction (dy_pred) of the deviation (dy) is determined (304). Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Vorhersage der Betriebsgröße (y_act, y_pred) eine Sequenz der wenigstens einen eingestellten Ansteuergröße (u_act, u_pred) innerhalb eines Zeitraums (T) bereitgestellt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a sequence of the at least one set control variable (u_act, u_pred) within a time period (T) is provided for the prediction of the operating variable (y_act, y_pred). Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine eingestellte Ansteuergröße (u_act) mit einem Sensor im Betrieb des Brennstoffzellensystems erfasst wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one set control variable (u_act) is detected with a sensor during operation of the fuel cell system. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit wenigstens einem dritten Modell (103) für wenigstens einen Teil des Brennstoffzellensystems abhängig von einer vorgegebenen Ansteuergröße (x[subsy]_req) für den wenigstens einen Teil des Brennstoffzellensystems eine Vorhersage (x[subsy]_pred) für wenigstens eine eingestellte Ansteuergröße (u_pred) wenigstens einen Teils des Brennstoffzellensystems bestimmt wird, wobei die wenigstens eine eingestellte Ansteuergröße (u_pred) abhängig von der Vorhersage (x[subsy]_pred(t)) definiert ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a prediction (x[subsy ]_pred) is determined for at least one set control variable (u_pred) for at least part of the fuel cell system, the at least one set control variable (u_pred) being defined as a function of the prediction (x[subsy]_pred(t)). Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig von der wenigstens einen vorzugebenden Ansteuergröße (u_req) eine Kostenfunktion definiert ist, wobei die vorzugebende Ansteuergröße (u_req) bestimmt wird, für die die Kostenfunktion eine Bedingung (c) erfüllt (301, 501).Method according to one of the preceding claims, characterized in that a cost function is defined as a function of the at least one control variable (u_req) to be specified, the control variable (u_req) to be specified being determined for which the cost function fulfills a condition (c) (301, 501 ). Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsgröße eine elektrische Leistung, eine Spannung, ein Wirkungsgrad oder eine Abwärme, insbesondere eine thermische Leistung, des Brennstoffzellensystems ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the operating variable is electrical power, voltage, efficiency or waste heat, in particular thermal power, of the fuel cell system. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die eingestellte Ansteuergröße (u_act, u_pred) eine Druckdifferenz zwischen einer Anode und einer Kathode des Brennstroffzellensystems, eine Temperaturdifferenz zwischen einer ersten Temperatur eines Kühlmittels bei seinem Eintritt und einer zweiten Temperatur des Kühlmittels bei seinem Austritt aus dem Brennstoffzellensystem, eine Feuchte von Luft insbesondere bei ihrem Austritt aus dem Brennstoffzellensystem, einen Druck von Luft, Wasserstoff und/oder Kühlmittel, eine Betriebstemperatur, einen Luftmassestrom, einen Wasserstoffmolekülmassestrom, einen Kühlmediummassestrom oder eine elektrische Kenngröße insbesondere einen Strom, eine Stromdichte oder eine Spannung am Brennstoffzellensystem definiert.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the set control variable (u_act, u_pred) a pressure difference between an anode and a cathode of the fuel cell system, a temperature difference between a first temperature of a coolant when it enters and a second temperature of the coolant when it exits from the fuel cell system, a humidity of air, in particular when it exits the fuel cell system, a pressure of air, hydrogen and/or coolant, an operating temperature, an air mass flow, a water substance molecular mass flow, a cooling medium mass flow or an electrical parameter, in particular a current, a current density or a voltage in the fuel cell system. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine vorgegebene Ansteuergröße (u_req) einen Sollwert für eine Druckdifferenz zwischen einer Anode und einer Kathode des Brennstroffzellensystems, eine Temperaturdifferenz zwischen einer ersten Temperatur eines Kühlmittels bei seinem Eintritt und einer zweiten Temperatur des Kühlmittels bei seinem Austritt aus dem Brennstoffzellensystem, eine Feuchte von Luft insbesondere bei ihrem Austritt aus dem Brennstoffzellensystem, einen Sollwert für einen Druck von Luft, Wasserstoff und/oder Kühlmittel, eine Betriebstemperatur, einen Luftmassestrom, einen Wasserstoffmolekülmassestrom, einen Kühlmediummassestrom oder eine elektrische Kenngröße insbesondere einen Strom, eine Stromdichte oder eine Spannung des Brennstoffzellensystems definiert.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one predetermined control variable (u_req) is a target value for a pressure difference between an anode and a cathode of the fuel cell system, a temperature difference between a first temperature of a coolant at its inlet and a second temperature of the coolant when it exits the fuel cell system, a humidity of the air, in particular when it exits the fuel cell system, a target value for a pressure of air, hydrogen and/or coolant, an operating temperature, an air mass flow, a hydrogen molecule mass flow, a cooling medium mass flow or an electrical parameter, in particular one Current, a current density or a voltage of the fuel cell system is defined. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Betriebsgröße (y_act) des Brennstoffzellensystems abhängig von der Vorhersage der Betriebsgröße (y_pred) und/oder abhängig von der Vorhersage für die Abweichung (dy_pred) insbesondere nach einem Training unabhängig von der Abweichung (dy) bestimmt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that at least one operating variable (y_act) of the fuel cell system is dependent on the prediction of the operating variable (y_pred) and/or dependent on the prediction for the deviation (dy_pred), in particular after training, independently of the deviation ( dy) is determined. Vorrichtung zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ausgebildet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 auszuführen.Device for operating a fuel cell system , characterized in that the device is designed, the method according to any one of Claims 1 until 11 to execute. Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass das Computerprogramm maschinenlesbare Instruktionen umfasst, bei deren Ausführung durch einen insbesondere verteilten Computer das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 abläuft.Computer program, characterized in that the computer program comprises machine-readable instructions, when executed by a particular distributed computer, the method according to one of Claims 1 until 11 expires.
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